Физика времени - Чернин Артур Давидович (читать книги полные txt) 📗
Но что же такое инерция? Это краткое название того, о чем говорит закон Галилея: это сохранение равномерности и прямолинейности движения в отсутствие внешних воздействий.
Ньютон
Исаак Ньютон (1642—1727) родился в год смерти Галилео Галилея.
«Счастливый Ньютон, счастливое детство науки!... Природа была для него открытой книгой, которую он читал без усилий. Концепции, которыми он пользовался для упорядочения
данных опыта, кажутся вытекающими самопроизвольно из самого опыта, из замечательных экспериментов... В одном лице он сочетал экспериментатора, теоретика, мастера... Он предстал перед нами сильным, уверенным и одиноким; его радость созидания и ювелирная точность проявляются в каждом слове и каждом рисунке». Эти слова Эйнштейна из предисловия к одному из изданий книги Ньютона «Оптика», слова, полные восхищения и преклонения перед образом «этого блестящего гения».
В другой статье о Ньютоне Эйнштейн писал: «Цель Ньютона заключалась в том, чтобы дать ответ на вопрос: существует ли простое правило для полного вычисления движения небесных тел нашей планетной системы по заданному состоянию движения всех этих тел в один определённый момент времени?».
Это была грандиозная задача. Ньютон дал положительный ответ на этот вопрос, и, самое главное, он нашел свое «простое правило».
Для этого потребовалось прежде всего выяснить связь между внешним воздействием на тело и тем изменением в состоянии его движения, к которому это воздействие приводит. Чтобы характеризовать различные состояния движения, Ньютон пользуется понятиями скорости и ускорения, четко определенными его предшественником Галилеем.
Если скорость неизменна по своей величине и направлению, то движение равномерно. Если скорость меняется, то возникает ускорение. Ускорение возникает и тогда, когда движение равномерно, но не прямолинейно; например, равномерное вращение по окружности — это движение с ускорением, хотя и при неизменной величине скорости. Сейчас все это кажется нам простым и очевидным. Но нужно помнить, что до Галилея понятия скорости и ускорения оставались еще довольно смутными.
Ньютон установил, что существует связь между силой и ускорением: ускорение прямо пропорционально силе. Но чтобы сделать эту связь полностью определенной, потребовалось ввести новое понятие — понятие массы. Если сила, действующая на тело, и его ускорение известны, то масса тела есть отношение силы к ускорению. Это одна из формулировок закона Ньютона. Его принято называть вторым законом движения, а первым называют закон инерции. Третий закон утверждает равенство действия и противодействия.
Законы механики Галилея — Ньютона мы изучаем с детства; в школе они достаются нам уже в готовом виде, и потому очень трудно представить себе сейчас, какая сила мысли потребовалась, чтобы найти эти законы, извлечь их из экспериментов и наблюдений.
Еще одним замечательным достижением Ньютона было установление закона всемирного тяготения: два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. И это относится к любым телам — камню на Земле или планете в небе.
Классическая механика
На основании открытых им законов механики Ньютону удалось объяснить до мельчайших деталей движения Луны и планет, явление океанских приливов, вызываемых тяготением Луны, и многое, многое другое. Казалось, вся Вселенная охвачена теперь теоретической мыслью, в ней не осталось уже чуть ли ничего, что не поддавалось бы объяснению и самому детальному описанию на основании «простого правила», которым и стала механика Галилея — Ньютона вместе с законом всемирного тяготения.
Механику Галилея — Ньютона принято называть классической — с тем же правом и основанием, с каким это определение прилагается к геометрии Евклида. Двадцать веков отделяют классическую механику от классической геометрии. Но мы воспринимаем одну как прямое продолжение другой. Так, по-видимому, смотрели на свою науку и ее создатели. Геометрия во все века оставалась привлекательной и неотразимой. Самый взгляд на вещи воспитывался ею и питался ее образами. Галилей писал, что мир представлялся ему книгой, «написанной математическим языком в виде треугольников, кругов и других геометрических фигур».
Инерциальные часы
Чтобы измерить скорость и ускорение, нужно иметь часы. Часы указывают нам, за какое время тело прошло данный путь. Деля путь на время, находим скорость. Так в случае равномерного движения; в случае неравномерного движения отношение пути к времени дает среднюю скорость тела. Точно так же определяется и ускорение — только вместо пути нужно брать скорость и делить изменение скорости (разность ее значений) на время, за которое скорость изменилась на данную величину.
Механика не существует без времени, и время присутствует в ней, по существу, на тех же правах, на каких пространство присутствует в геометрии.
Измерять время хотелось бы идеально точными, строго ритмично идущими часами. Если же часы то отстают, то спешат, измерения времени, а с ними и измерения скорости и ускорения окажутся неверными. Так равномерное движение покажется нам из-за этого неравномерным.
Выходит, что законы классической механики подразумевают не только инерциальность системы отсчета, лаборатории, в которой проводятся наблюдения. Требуется еще и ритмичность хода часов, по которым отсчитывается в лаборатории время.
Однако же, как проверить часы, как оценить точность, ритмичность их хода?
Есть только один способ — тот же, что и для определения инерциальности лаборатории. Нужно наблюдать за движением тела, не подверженного внешнему воздействию и, пользуясь нашими часами, измерять время, необходимое этому телу для прохождения разных отрезков пути. Если мы найдем, что его скорость на всех этих отрезках одинакова,— значит, наши часы идут достаточно точно.
Такие ритмично идущие часы называют инерциальными.
Но вот что особенно важно. Как бы ни двигались друг относительно друга различные инерциальные часы вместе с различными инерциальными лабораториями, все они показывают одно и то же время. Не только каждые из них идут в неизменном ритме, но этот ритм у всех часов одинаков. Пользуемся ли мы покоящимися часами в нашей собственной лаборатории или смотрим на движущиеся мимо нас часы других лабораторий и ведем по ним отсчет времени — результат измерений всегда один и тот же.
Время классической механики
Все инерциальные часы в мире показывают одно и то же время.
Но откуда следует это столь сильное заключение? Точность хода каждых отдельных часов можно проверить и установить с помощью наблюдения за телом, не испытывающим действия сил. Это так, но ведь утверждается, что все такие часы имеют не только постоянный, но и синхронный — все в одном ритме — ход.
Это утверждение нельзя вывести логически из принципа относительности или из закона инерции. Оно не выводится; в механике Галилея — Ньютона оно принимается в качестве аксиомы, играющей ту же роль, что и аксиомы геометрии Евклида.
Ход всех инерциальных часов одинаков. Без этого здание классической механики рушится. Но законы классической механики со всей возможной точностью подтверждаются в огромной области наблюдаемых явлений природы — от движения небесных тел до движений мельчайших частиц, атомов и молекул газов. Значит, верна и исходная аксиома. Добавим — верна во всей этой области явлений.
Классическая механика утверждает синхронность всех инерциальных часов. Тем самым она фиксирует в действительности фундаментальное свойство времени — той физической реальности, для измерения которой и служат часы.
